基于plc自動門控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文

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1基于 PLC 自動門控制系統(tǒng)的設計摘要：可編程序控制器通產簡稱為 PLC，是近年來發(fā)展迅速的工業(yè)控制裝置，已廣泛應用于工業(yè)企業(yè)各個領域。隨著人們生活水平的不斷提高和科學技術的飛速發(fā)展，人們更加注重自動化和人性化的產品。自動門是樓宇設備中的光機電一體化技術產品，它給人以親切大方的感覺，同時營造出奢華的氣氛，其全新的概念，寬敞的開放門面和高格調的設計，堪稱建筑物的點睛之筆，由于 PLC 控制具有較高的可靠性、穩(wěn)定性、維修方便等優(yōu)點，因此，自動門的生產商家很多都運用 PLC 來做門的控制器本文是關于自動門控制系統(tǒng)的設計，自動門系統(tǒng)主要由可編程控制器（PLC） 、感應器件、驅動裝置和傳動裝置組成。為增強自動門運行的可靠性，在此提出了一種以 s7—200 可編程序控制器(PI C)為核心的自動門控制系統(tǒng)。本文分析了自動門控制系統(tǒng)的設計要求，介紹了自動門的硬件設計，PLC 選型，驅動裝置選型，感應器件的選型，系統(tǒng)軟件設計，PLC 梯形圖設計，軟件設計，程序調試 ，硬件接線等多方面內容。關鍵詞：可編程控制器； S7-200； 自動門，梯形圖，變頻控制Abstract: with the continuous improvement of people's living standards and the rapid development of science and technology, people pay more attention to the automation and humane products. Automatic door is building equipment of light mechanical and electrical integration technology products, it gives a warm feeling generous, and create a luxurious atmosphere, its new concept, spacious open window and high-style design, called the building the punchline, based on the trend of the times the forefront of building. Because the PLC control has high reliability, stability, convenient repair, therefore, automatic door production businesses are using PLC to do door controllerThis article is about the design of the control system of automatic door, automatic door system mainly consists of a programmable controller ( PLC ), induction device, the driving device and the transmission device. In order to enhance the operation reliability of automatic door, in this paper, a S7 -200 programmable controller ( PI C ) as the core of the automatic door control system. This paper analyzes the automatic door control system design, introduces the hardware design of automatic door drive device, PLC selection, selection, induction device selection, system software design, PLC ladder diagram design, software design, debugging, hardware connection and other aspects of the content.Key words: programmable controller; S7-200; automatic door, ladder diagram, variable frequency control2目錄摘要--------------------------------------71 引言------------------------------------112 國內外自動門的發(fā)展----------------------132.1 國內外自動門的發(fā)展現(xiàn)狀-------------132.2 本課題研究的內容-------------------152.3 本課題研究的目的和意義-------------163 自動門控制系統(tǒng)總體方案設計--------------173.1 自動門的功能需求分析--------------17 3.1自動門的控制要求------------------183.3 自動門控制系統(tǒng)構成----------------19 3.3.1 PLC 概述------------------193.3.2 具體構成------------------243.4 自動門的機械傳機構設計------------254 自動門控制系統(tǒng)的硬件設計----------------264.1 PLC 的選型----------------------264.2 驅動裝置的選型------------------304.3 感應器件的選型------------------314.4 直流電動機的選型----------------324.4.1 直流電動機的調速------------324.4.2 直流電動機的優(yōu)勢-----------3634.5 傳動裝置------------------------37 4.6 限位開關------------------------374.7 自動門控制系統(tǒng) I/O 地址分配表 -----374.8 自動門控制系統(tǒng)的原理圖----------384.8.1 主電路原理圖---------------38 4.8.2 PLC 外圍接線圖-------------39 5 自動門控制系統(tǒng)的軟件設計-----------------405.1 工作過程分析---------------------40 5.2 梯形圖程序---------------------415.2.1 梯形圖的概述-------------415.2.2 梯形圖的設計-------------436 程序調試--------------------------------46 6.1 硬件線路連接---------------------466.2 聯(lián)機調試-------------------------477 總結----------------------------------49 參考文獻---------------------------------50致謝 ------------------------------------52附錄 1------------------------------------53 附錄 2------------------------------------54附錄 3------------------------------------551 引言4自動門控制系統(tǒng)，在現(xiàn)當代社會是一個應用非常廣泛的設備，自動門已經廣泛應用于酒店、銀行、超市、停車場或公共建筑等入口，其主要核心部分——自動門控制系統(tǒng)正是我們這論文的主要研究討論的課題。自動門的性能優(yōu)劣主要取決于它的控制裝置，早期的自動門控制系統(tǒng)采用繼電器邏輯控制，造成安裝繁瑣、體積大、不穩(wěn)定、不易維修等缺點已逐漸被淘汰。目前自動門及其自動化行業(yè)最穩(wěn)定的控制裝置是可編程控制器（以下簡稱 PLC）,PLC 是一種專門為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式和開關量的邏輯控制的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程，PLC 具有可靠性高，抗干擾能力強，功能完善，適用性強，系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造，體積小，重量輕，能耗低等優(yōu)點。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展，因此運用PLC 控制自動門具有較高的可靠性，維修方便等特點，因此，進行自動門的 PLC 控制系統(tǒng)設計，可以推動自動門行業(yè)的發(fā)展，擴大 PLC 在自動門行業(yè)乃至整個自動化行業(yè)的應用，具有一定的經濟和理論研究價值。由于用 PLC 控制自動門具有故障頻率低、可靠性高、維修方便等優(yōu)點，而 Siemens s7—200 系列 PLC 性價比高，在各個行業(yè)中的運用非常普遍，本研究重點討論使用 s7—200 系列 PLC 來實現(xiàn)自動門控制系統(tǒng)的設計與應用。51.1 本課題研究的目的和意義21 世紀的今天，門更加突出了安全理念，強調了有效性:有效的防范通行、疏散，同時還突出了建筑藝術的理念，強調門與建筑藝術的理念，強調門與建筑以及周圍環(huán)境整體的協(xié)調、和諧。自動門大規(guī)模專業(yè)化生產始于 150 年前，在不斷發(fā)展和完善的過程中，涌現(xiàn)出大批獨具規(guī)模專業(yè)制造商。門的高級形式——自動門起源在歐美，迅速發(fā)展至今，已經形成了種類齊全、功能完善、造工精細的自動門家族。大中型公共場所，為這些建筑增添了亮麗、時尚的姿態(tài)。自動門從理論上理解應該是門的使用觀念的延伸，是人們根據(jù)需要對門的功能的提升和完善。所以對自動門的認識應該從人們對門功能的要求開始。作為建筑物一部分的門，從最基本的意義上講，要同時滿足隔離外部環(huán)境和不妨礙人的通行這兩種要求。因此門體本身應牢固、密封。自動門的普及和應用，改變了人們的防護意識，提升了人們的安全觀念。自動門除可美化出入口環(huán)境外，由于中國沒有相關的自動門國家標準，導致自動門檔次、質量良莠不齊。如果你沒有使用過自動門，最好選擇一個由專業(yè)廠生產、能提供較完善售后服務的自動門品牌（目前有很多自動門品牌是有一些貿易公司購買散件加上自己拼裝而成，應盡量避免購買此類產品） 。不要認為樣本上全是外國語，資料也是外國語的商品就是進口商品，其實這樣是違反國家規(guī)定的。真正的知名品牌，合法的商品不會這樣做。由于自動門在通電后可以實現(xiàn)無人看管，同時又可節(jié)約空調能源、防風、防塵、降低噪音，既方便又提高了建筑的檔次，浴室迅速在國內外的建筑市場上得到大范圍的普及。同時也幾乎成為了銀行，寫字樓，酒店等辦公娛樂場所裝修所不可少的一項配置。自動門平移門最常見的形式是自動門機及門內外兩側加雷達，當人走近自動門時，雷達感應到人的存在，給控制器一個開門信號，控制器通過驅動裝置將門打開。當人通過門之后，再將門關閉。由于自動平移門在通電后可以實現(xiàn)無人管理，既方便又提高了建筑的檔次，于是迅速在國內外建筑市場上得到大范圍的普及。自動門的開門信號是觸點信號，微波雷達和紅外傳感器是常用的兩種信號源。微波雷達是對物體的位移反應，因而反應速度快，適用于行走速度正常的人員通過的場所，它的特點是一旦在門附近的人員不想出門而靜止不動后，雷達便不再反應，自動門就會關閉，對門機有一定的保護作用。紅外傳感器對物體存在進行反應，不管人員是否移動，只要在處于傳感器的掃描范圍內，它都會反應即傳出觸點信號。缺點是紅外傳感器的反應速度較慢，適用于有行動遲緩的人員出入的場所。61.2 國內外自動門發(fā)展現(xiàn)狀在國外，進入 90 年代以來，自動化技術發(fā)展很快，技術已經很成熟，并取得了驚人的成就，自動化技術是自動門的重要部分。在現(xiàn)在人們生活中自動門可以節(jié)約空調能源、降低噪音、防塵、防 風，同 時可以使出入口顯得很莊重高檔，因此應用非常廣泛。隨著我國經濟的飛速發(fā)展，自動門在人們的生活中的運用越來越廣泛，自動門適合于賓館、酒店、銀行、寫字樓、 、醫(yī)院、商店等，使用自動門 。但在國內，自 動門的自主研發(fā)尚處于初級階段。在自動門控制系統(tǒng)設計中，穩(wěn)定、節(jié)能、環(huán)保、安全及人性化是需要首先考慮的因素。我國的自動門狀況有如下幾點：(1) 廠家多，規(guī)模小 5～6 年來幾年來， 自動門在國內得到了快速的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內大大小小生產自動門的廠家已有 50 多家，但普遍生產規(guī)模小，自主研發(fā)能力差。從新產品開發(fā)能力和質量穩(wěn)定性方面還不具備和進口產品競爭的實力。 (2) 專業(yè)化分工趨勢顯現(xiàn)早期的生產廠家，一般是自主研發(fā)和生產，頂多委托代加工部分零部件。近兩年來，出現(xiàn)了專門生產主要部件的廠家，如電機、主控板、遙控器傳動件、塑料件等出現(xiàn)了專業(yè)生產廠家，這一趨勢使生產的門檻降低，進入的廠家進一步增多，導致競爭更加激烈。 (3) 高、低檔次的市場分明進口產品借助質量和品牌優(yōu)勢，占據(jù)了高端市場，目前國內廠家的產品基本上也都具備了比較完善的功能，但生產工藝略嫌粗糙，質量水平參差不齊，整體檔次較低，主要集中在低端市場。 (4) 產品同質化和市場特點導致利潤微薄產品同質化嚴重，加之自動門產品往往是開發(fā)商而非最終用戶在選擇產品，所以價格因素占的比重較大，加劇了市場競爭。其結果是眾多廠家一味地比拼價格，導致利潤微薄。同時，由于價格過低，也使產品的持續(xù)改進和發(fā)展受到限制。1.3 畢業(yè)設計任務及要求1.3.1 設計任務要求設計題目是基于 plc 的自動門控制系統(tǒng)，根據(jù)題目要求，設計的控制系統(tǒng)的控制核心是7Plc。主要實現(xiàn)的功能是是全自動化操作，不需要人為參與。要完成整體系統(tǒng)的設計、控制系統(tǒng)硬件設計和軟件設計。1.3.2 本課題研究的內容本設計將在以下幾個方面對自動門的控制系統(tǒng)進行研究和論證。1. 自動門類型的選擇。綜合了自動門的簡潔、簡單的要求，在本課題中主要研究自動平移門，本課題設計的自動平移門具有手動和自動開門功能和分時間段控制功能以及配備安全防夾人光線、后備電源等輔助裝置來滿足商場等人流眾多的場所的高效率、高安全性的要求。2. 自動門硬件系統(tǒng)的設計本課題設計的自動門要求有很高的穩(wěn)定性來滿足日常的需要，故在本設計中所選用的智能控制器為穩(wěn)定性良好的德國西門子公司生產的 CPU224 小型 PLC。在自動門的開關門速度控制上本設計以變頻器作為調節(jié)器，運用變頻器的三段速控制實現(xiàn)自動門的轉速控制，為了解決在頻率很低時出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題，驅動裝置選用功率強大、穩(wěn)定性好的自帶減速裝置的直流電動機，在感應器方面運用了自動門專用的微波雷達感應器和在工業(yè)控制上大量運用的具有檢測精度高、壽命長、穩(wěn)定性好的接近傳感器，運用感應器的開關量信號輸入給 PLC 來實現(xiàn)PLC 對自動門的控制。由于本課題的具體需要在硬件系8統(tǒng)的設計過程中主要考慮自動門的經濟實用、穩(wěn)定的需要。3. 自動門的軟件設計在本設計中選用了目前運用最多的 PLC 編程語言梯形圖，梯形圖能直觀明了的設計出自動門的控制要求，并能更好的考慮到安全性和故障報警等問題，梯形圖的編寫運用西門子自帶的編程軟件，此軟件具有強大的診斷功能，能更快的查處故障原因，從而大大縮短了維修時間。3 自動門控制系統(tǒng)總體方案設計2.3 系統(tǒng)設計的基本步驟在自動門控制系統(tǒng)的設計過程中主要要考慮以下幾點：(1) 深入了解和分析自動門的工藝條件和控制要求。(2) 確定 I/O 設備。根據(jù)自動門控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設備。常用的輸入設備有按鈕、選擇開關、行程開關、傳感器等，常用的輸出設備有繼電器、接觸器、指示燈等。(3) 根據(jù) I/O 點數(shù)選擇合適的 PLC 類型。(4) 分配 I/O 點數(shù)，分配 PLC 的輸入輸出點，編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線圖。(5) 設計自動門系統(tǒng)的梯形圖程序，根據(jù)工作要求設計出周密完整的梯形圖程序，這是整個自動門系統(tǒng)設計的核心工作。3.1 在自動門的功能需求分析本設計是面向公共場所入口的應用設計，需要有安全和可靠性，在設計的時候改良了自動9門的友好性，結構如圖 2-1 所示：圖 2-1 自動門結構示意圖根據(jù)入口處對自動門的具體要求，本設計所設計的自動門應具有以下功能：1 開門和關門控制應有手動和自動方式為了便于維護，自動門應具有手動和自動方式。當信號采集裝置檢測到有人接近門口且門未打開或者檢測到已無人接近門口且門未關閉，PLC 動作輸出信號開控制點動機正轉或者反轉來開門或者關門。2 緊急停止當自動門出現(xiàn)夾人現(xiàn)象時，可閉合緊急停止開關，自動門自動進入開門過程。(3)．蜂鳴器的提示功能當自動門開啟和關閉時，PLC 輸出信號給蜂鳴器，蜂鳴器響以提醒來往行人注意。自動門控制系統(tǒng)包含PLC控制和執(zhí)行元件構成。采用自動10和手動控制方式，此種控制模式為目前大多自動門的控制方式。本課題所設計的自動門控制系統(tǒng)采用PLC為控制中心來控制傳動機構從而控制門的開和關實現(xiàn)門的自動化控制。首先通過信號采集裝置判斷門前是否有人，若有人則將信號轉換為開關量信號傳送到PLC，PLC根據(jù)開關信號來控制變頻器的開停和速度的變換，最后由傳動裝置帶動門運動。3.2 自動門的控制要求（1）當有人由內到外或由外到內通過光電檢測開關 K1 或K2 時，開門執(zhí)行機構 KM1 動作，電動機正轉，到達開門限位開關 K3 位置時，電機停止運行。（2）自動門在開門位置停留 8 秒后，自動進入關門過程，關門執(zhí)行機構 KM2 被起動，電動機反轉，當門移動到關門限位開關 K4 位置時，電機停止運行。3 在關門過程中，當有人員由外到內或由內到外通過光電檢測開關 K2 或 K1 時，應立即停止關門，并自動進入開門程序。4 在門打開后的 8 秒等待時間內，若有人員由外至內或由內至外通過光電檢測開關 K2 或 K1 時，必須重新開始等待 8 秒后，再自動進入關門過程，以保證人員安全通過。3.3 自動門控制系統(tǒng)構成自動門控制系統(tǒng)包含 PLC 控制和動作執(zhí)行元件構成。11采用自動和手動電動控制方式，此種控制方式為目前大多自動門的控制方式。本課題所設計的自動門控制系統(tǒng)采用 PLC 為控制中心來控制傳動機構從而控制門的開和關實現(xiàn)門的自動化控制。3.3.1PLC 概述可編程控制器（plc）是在計算機技術、通信技術和繼電器控制技術的發(fā)展基礎上開發(fā)而來的，是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)。它以微處理器為核心，用 編寫的程序進行邏輯控制、定時、計數(shù)和算數(shù)運算等，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出來控制機械設備 或生產過程。由于 PLC 在不斷發(fā)展，因此，對它進行確切的定義是比較困難的。美國電氣制造商協(xié)會（NEMA）經過四年的調查工作，于 1980 年正式將可編程序控制器命名為PC（Programmable Controller） ，但為了與個人計算機 PC（Personal Computer）相區(qū)別，常將可編程控制器簡稱為 PLC，并給 PLC 作了定義：可編程序控制器是一種帶有指令存儲器、數(shù)字的或模擬的輸入∕輸出接口，以位運算為主，能完成邏輯、順序、定時、計數(shù)和運算等功能，用于控制器或產生過程的自動化控制裝置。1982 年，國際電工委員會（International Electrical Committee，IEC）頒布了 PLC 標準草案第一稿，1985 年提交了第二稿，并在 1987 年的 3 稿中對 PLC 作了如下的定義：“PLC 是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序控制器的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P的外圍設備，都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴展其功能的原則而設計。 ”上述的定義表明，PLC 是一種能直接應用于工業(yè)環(huán)境的數(shù)字電子裝置，是以微處理器為基礎，結合計算機技術、自動控制技術和通信技術，用面向控制過程、面向用戶的“自然語言”編程是一種簡單易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工業(yè)控制裝置。2.2 PLC 的主要功能及特點2.2.1 PLC 的主要功能1.開關邏輯和順序控制這是 PLC 應用最廣泛、最基本的場合。它的主要功能是完成開關邏輯運算和進12行順序邏輯控制，從而可以實現(xiàn)各種控制要求。2.模擬控制（A/D 和 D/A 控制）在工業(yè)生產過程中，許多連續(xù)變化的需要進行控制的物理量，如溫度、壓力、流量、液位等，這些都屬于模擬量。過去，PLC 長于邏輯運算控制，對于模擬量的控制主要靠儀表或分布式控制系統(tǒng)，目前大部分 PLC 產品都具備處理這類模擬量的功能，而且編程和使用方便。3.定時/計數(shù)控制PLC 具有很強的定時、計數(shù)功能，它可以為用戶提供數(shù)十甚至上百個定時器與計數(shù)器。對于定時器，定時間隔可以由用戶加以設定；對于計數(shù)器，如果需要對頻率較高的信號進行計數(shù)，則可以選擇高速計數(shù)器。4．步進控制PLC 為用戶提供了一定數(shù)量的位移寄存器，用位移寄存器可方便地完成步進控制功能。5.運動控制在機械加工行業(yè)，可編程序控制器與計算機數(shù)控（CNC）集成在一起，用以完成機床的運動控制。6.數(shù)據(jù)處理大部分 PLC 都具有不同程度的數(shù)據(jù)處理能力，它不僅能進行算術運算、數(shù)據(jù)傳送，而且還能進行數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)顯示打印等操作，有些 PLC 還可以進行浮點運算和函數(shù)運算。7.通信聯(lián)網PLC 具有通信聯(lián)網的功能，它使 PLC 與 PLC 之間、PLC 與計算機以及其他智能設備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制?，F(xiàn)代化工業(yè)生產過程是復雜多樣的，它們對控制的要求也各不相同。PLC 專為工業(yè)控制應用而設計，一經出現(xiàn)就受到了廣大工程人員的歡迎。其主要特點有:(1) 可靠性高(2) 控制功能強(3) 組成靈活(4) 操作方便13（1）PLC 與其它典型控制系統(tǒng)的區(qū)別繼電器控制系統(tǒng)雖有較好的抗干擾能力，但使用了大量的機械觸點。是設備連線復雜，且觸點在開閉時易受電弧的損害，壽命短，系統(tǒng)可靠性差。a． 控制邏輯繼電器控制邏輯采用硬件接線邏輯，利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)，及時間繼電器等組合成控制邏輯，其接線多而復雜、體積大、功耗大、故障率高，一旦系統(tǒng)構成后，想在改變或增加功能都很困難。另外，繼電器觸點數(shù)目有限，每個只有 4-8 對觸點，因此靈活性和 擴展性很差，而 PLC 采用存儲器邏輯，其控制邏輯以程序方式儲存在內存中，要改變控制邏輯，只需要改變程序即可，因此靈活性和擴展性很好。b.工作方式電源接通時，繼電器控制線路中各繼電器同時處于受控制狀態(tài)，它屬于并行方式。而 PLC 得控制邏輯中，各內部期間都處于周期性掃描過程中，各種邏輯、數(shù)值輸出地結果都是按照在程序中的前后順序計算出來的，它屬于串行方式。PLC 有微型計算機的許多特點，但他的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式。而 PLC 則采用不斷循環(huán)的順序掃描的工作方式。每次掃14描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。CPU 從第一條指令開始，按順序逐條的執(zhí)行用戶程序知道用戶程序結束，然后返回第一條指令開始新一輪的掃描。PLC 就是這樣周而復始的重復上述循環(huán)掃描的，這種工作方式是在系統(tǒng)的控制下，順次掃描各輸入點的狀態(tài)，按用戶程序進行運算處理，然后順序向輸出點發(fā)出相應的控制信號。PLC 是一種工業(yè)控制計算機，所以他的工作原理是建立在計算機的工作原理基礎上的，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的。但是 CPU 是分時操作方式來處理各項任務的，計算機在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行是按程序順序一次完成相應各電器的動作，便成為時間上的串行。由于運算速度極高，各電器的動作似乎是同時完成的，但實際輸入輸出的響應是有滯后的。c.控制速度繼電器控制邏輯依靠觸點的機械動作實現(xiàn)控制，工作頻率低，觸點開閉動作一般幾十毫秒數(shù)量級。另外機械觸點還會出現(xiàn)抖動問題；而 PLC 是由程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制，屬于無觸點控制，速度極快，一般一條用戶指令的執(zhí)行時間在微秒數(shù)量級，且不會出現(xiàn)抖動。（2）與單片機控制系統(tǒng)的區(qū)別a.本質區(qū)別單片機控制系統(tǒng)是基于芯片級的系統(tǒng)，而 PLC 控制15系統(tǒng)是基于板級或模塊級的系統(tǒng)。其實 PLC 本身就是一個單片機系統(tǒng)，他是已經開發(fā)好的單片機產品。開發(fā)單片機控制系統(tǒng)屬于底層開發(fā)，而設計 PLC 控制系統(tǒng)是在產品的單片機控制系統(tǒng)上進行二次開發(fā)。b.使用場合單片機控制系統(tǒng)適合于家電產品、智能化的儀器儀表、玩具和批量生產的控制器產品等場合使用；而 PLC 控制系統(tǒng)適合在單片機電氣控制系統(tǒng)、工業(yè)控制領域的制造業(yè)自動化和過程中使用。c.使用過程設計開發(fā)一個單片機控制系統(tǒng)，需要先設計硬件系統(tǒng)，畫硬件電路圖，制作印刷電路板，購置各種所需要的電子元件，焊 接電路板，進行硬件調試，進行抗干擾等大量工作需要專門的開發(fā)裝置和低級編輯語言控制程序，進行系統(tǒng)聯(lián)調；而 PLC 不必操心內部的計算機系統(tǒng)是否可靠和他們的抗干擾能力，軟件設計使用工業(yè)編程語言，相對來說比較簡單。進行系統(tǒng)調試時，因為有好的工程工具幫助，所以非常容易。3.3．2 具體構成自動門系統(tǒng)的具體組成如下圖：16由上圖可知，當感應器件檢測到人體或物體信號時將信號傳給 PLC,PLC 根據(jù)已經 采集的信號發(fā)出控制信號，是驅動 裝置運行，通過傳動裝置帶動自動門的運行。2.3 s7-200 系列 PLC 的組成與基本結構PLC 是微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結合的產物，從廣義上講，PLC 也是一種計算機系統(tǒng)，只不過它比一般計算機具有更強的與工業(yè)過程相連接的輸入/輸出接口，具有更適用于控制要求的編程語言，具有更適應于工業(yè)環(huán)境的抗干擾性能。S7-200 可編程控制系統(tǒng)有主機（基本單元） 、I/O 擴展單元、功能單元（模塊）和外部設備等組成。S7-200PLC 主機（基本單元）的結構形式為整體式結構。172.3.1 PLC 的硬件系統(tǒng)PLC 的硬件系統(tǒng)由主機系統(tǒng)（如圖 2.1） 、輸入/輸出擴展環(huán)節(jié)及外部設備組成。圖 2-1 PLC 硬件主機系統(tǒng)圖2.4 PLC 的工作原理可編程控制器是一種專用的工業(yè)控制計算機，其工作原理與計算機控制系統(tǒng)的工作原理基本相同。S7-200CPU 連續(xù)執(zhí)行用戶任務的循環(huán)序列成為掃描。PLC 的一個機器掃描周期是指用戶程序運行一次所經歷的時間。Plc 運行狀態(tài)按輸入采樣、程序執(zhí)行。輸出刷新等步驟，周而復始地循環(huán)掃描工作，1.輸入采樣掃描階段這是第一個集中批處理過程，PLC 按順序逐個采集所有輸入端子上的信號，不論輸入端子上是否接線，CPU 順序讀取全部輸入端，將所有采集到的一批輸入信號寫到輸入映像寄存器中，在當前的掃描周期內，用戶程序用到的輸入信號的狀態(tài)是否變化。即使此時外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，也只能在下一個掃描周期的輸入采樣掃描階段去讀取，對于這種采集輸入信號的批處理，雖然嚴格上說每個信號被采集的時間有先有后，但由于 PLC 的掃描周期很短，這個差異對一般工程應用可忽略，所以可以認為這些采集到的輸入信息是同時的。2.執(zhí)行用戶程序掃描階段是第二個集中批處理過程，在執(zhí)行用戶程序階段，CPU 對用戶程序按順序進行掃描。如果程序用梯形圖表示，則總是按先上后下、從左到右的順序進行掃描，每掃描到一條指令，所需要的輸入信息的狀態(tài)均從輸入映像寄存器中去讀取，而不是直接使用現(xiàn)場的立即輸入信號。對其他信息，則是從 PLC 的原件映像寄存器中去讀取，18在執(zhí)行用戶程序中，每一次運算的中間結果都立即寫入元件映像寄存器中，對輸出繼電器的掃描結果，也不是馬上去驅動外部負載，而是將其結果寫入到輸出映像寄存器中。在此階段，允許對數(shù)字量 I/O 指令和不設置數(shù)字濾波的模擬量 I/O 指令進行處理，在掃描周期的各個部分，均可對中斷事件進行響應。在這個階段，除了輸入映像寄存器外，各個元件映像寄存器的內容是隨著程序的執(zhí)行而變化的。3.輸出刷新掃描階段這是第三個集中批處理過程，當 CPU 對全部用戶程序掃描結束后，將元件映像寄存器中各輸出繼電器的狀態(tài)同時送到輸出鎖存器中，再由輸出鎖存器經輸出端子去驅動各輸出繼電器所帶的負載。3.4 自動門的機械傳動機構設計在本課題設計的自動門針對人流較多的商場，應對周圍環(huán)境進行綜合考慮，所以在本課題的自動門機械傳動設計中考慮了以下幾個方面：1. 自動門的傳動主要包括安裝版，軌道，門機，皮帶，吊掛件等。2. 所有的組件都為插入式元件，使得安裝很簡單。3. 電機：驅動電機采用 64V 直流電動機，功率大，可調性強。4. 導軌：水平雙導軌結構，形式正懸掛，解決了側擺得問題，從而確保了門扇的穩(wěn)定性。并配以雙側密封毛刷，形成密封式導軌，避免積塵對導軌及滑輪的磨損，實現(xiàn)了維護方便的特點。195. 滑輪：采用特殊的尼龍滑輪，強度高，耐磨性好，同時還有一定的減震效果。6. 皮帶：采用齒形皮帶，齒形皮帶的截面為曲線設計，增加了齒形的高度，提高了皮帶與傳動齒輪的吻合度，從而提高了使用壽命。4 自動門控制系統(tǒng)的硬件設計4.1 PLC 的選擇在 PLC 系統(tǒng)設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程 設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據(jù)。因此工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需要的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估計輸入輸出點數(shù)、所需存儲器的容量、確定 PLC 的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的 PLC 和設計相應的控制系統(tǒng)。1 輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算I/O 點數(shù)估算時應考慮適當?shù)挠嗔?，通常根?jù) 統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，在增加 10%到 20%的可擴展。余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)20制造廠商 PLC 的產品特點對輸入輸出點數(shù)進行圓整。根據(jù)估算的方法故本課題的 I/O 點數(shù) 為輸入 12 點，輸出 12 點。2 存儲器容量的選擇存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目實用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器的容量。設計階段，由于用戶程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，須在程序調試之后才知道。為了設計選型時，能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來代替，存儲器內存容量的估算沒有固定的形式，許多文獻資料中給出了不同的公式，大體上都是按數(shù)字量 I/O 點數(shù)的 10 到 15 倍，加上模擬 I/O 點數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內存的總字數(shù)（16 位為一個字），另外再按次數(shù)的 25%考慮余量。因此本課題的 PLC 內存容量選擇應能存儲索要儲存的程序，這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間。3 控制功能的選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等性能的選擇。根據(jù)本課題所設計的自動門控制系統(tǒng)的要求，主要介紹一下幾種功能的選擇。21a 控制功能PLC 主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需要的控制功能，提高 PLC 的處理速度和節(jié)省存儲器容量。b 編程功能離線編程方式：PLC 和編程器共用一個 CPU，編程器在編程模式時，CPU 只為編程器提供服務，不對現(xiàn)場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現(xiàn)場設備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調試不方便。在編程方式：CPU 和編程器有各自的 CPU，主機 CPU 負責現(xiàn)場控制，并在一個掃描周期內與編程器進行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機，下一掃描周期，主機就根據(jù)新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調試和操作方便，在大中型 PLC 中常采用。五種標準化變成語言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模 塊圖 （FBD）三種圖形化 語言和語言表（IL ）、結構文本（ST）兩種文本語言。選用的 編程語言應遵守標準（IEC6113123），同時，還應支持多種語言變成方式，如C，Basic 等，以 滿 足特殊控制場合的控制要求。c 診斷功能22PLC 的診斷功能爆孔硬件和軟鍵的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內診斷和外診斷。通過軟件對 PLC 內部的性能和功能進行診斷是內診斷，通過軟鍵對 PLC 的 CPU 玉外部輸入輸出等部件信息叫喚功能進行診斷是外診斷。PLC 的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術能力的要求，并影響平均維修時間。(4)機型的選擇a.PLC 的類型PLC 按結構分為整體型和模塊兩類型型，按應用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按 CPU 字長分為 1位、4 位、8 位、 16 位、32 位、64 位等。從 應用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數(shù)選型。整體型 PLC 的I/0 點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型 PLC 提供多種 I/0 卡件或插卡，因此用 戶可較合理的選擇和配置系統(tǒng)控制的 I/0 點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。b 經濟的考慮選擇 PLC 時，應考慮性能價格比。考慮經濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出比較滿意的產品。輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。點當數(shù)增加到一數(shù)值后，相應的存23儲器容量相應增加，因此，點數(shù)的增加對 PLC 選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。本課題所設計的自動門屬于小型控制系統(tǒng)，結合經濟性的考慮因此選用整體型 PLC。 （5）對 PLC 響應時間的要求對于多數(shù)場合，PLC 的相應時間基本上能滿足控制要求。響應時間包括輸入濾波時間，輸出濾波時間和掃描周期。PLC 的工作方式決定了他不能接受頻率過高或持續(xù)時間小于掃描周期的輸入信號，當有此類信號輸入時需要選用掃描速度高的 PLC 或快速響應模塊和中斷輸入模塊。綜合以上因素，本課題的設計采用德國西門子公司生產的 CPU224 小型 PLC 來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。4.2 驅動裝置的選型自動門的驅動裝置是自動門能否良好工作的保障，在本設計中是運用直流無刷電機。直流無刷電動機功率密度高，噪音極小，調速性能好，即具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，又具備直流電動機的線性機械特性、調速范圍寬、啟動轉矩大、運行效率高等諸多優(yōu)點。是應用于“輕、小、薄、安靜、精密、可靠”等場合的最佳選擇。本設計選用亞坦電機控制有限公司生產的 45BLDC系列直流無刷電機，電機直徑 φ45，額定轉數(shù) 4000 轉，額定轉矩 0.036N.m，功率15W-100W，額定電壓 24V DC。244.3 感應器件的選型目前，自動門行業(yè)運用的感應器件主要由微波感應器、紅外線感應器等。（1）微波感應器，又稱微波雷達，對物體的移動進行反應，因而反應速度快，適用于行走速度正常的人員通過的場所。微波感應器是以微波多普勒原理為基礎，平面型天線作感應系統(tǒng)，以微處理器作控制。微波感應器的特點：是以 10.525GHz 微波頻率發(fā)射、接收。其探測方式具體有以下優(yōu)點：非接觸探測和不受溫度、濕度、噪音影響。（2）紅外感應器，是對物體的存在進行反應，不管人員是否移動，只要處于感應器的掃描范圍內，它都會反應，另外，紅外感應器的反應速度比微波感應器慢。根據(jù)不同的功能和性能運用在各類不同場合的自動門控制系統(tǒng)中，感應器是自動門系統(tǒng)的重要部位，其性能直接影響自動門系統(tǒng)的安全及穩(wěn)定，結合本設計要求，選用上海安達門業(yè)裝飾有限公司的微波自動門感應器 WB-3004，其規(guī)格如下表 4-2：表 4-2 感應器的參數(shù)表4.4 直流電動機的選型型號 WB-3004供電電壓 AC/DC12V—AC/DC24V工作頻率 50Hz—60Hz感應探頭工作頻率 10.525GHz(9.00GHz—12.00GHz)工作指示方式 LED感應時間/延時時間 REAL-TIME/0.5SEC感應范圍 4.0M(W)X3.0M(D)靜態(tài)功耗：工作功耗：200Mw/12V550Mw/12V探頭可調角度 40o—160o工作溫度范圍 -25℃—+60℃相對濕度 0—95％安裝方式 WALL254.4.1 直流電動機的調速并勵或他勵直流電動機與交流異步電動機相比，雖然結構復雜，價格高， 維修也不方便，但是在調速性能上有其獨特的優(yōu)點。因為鼠籠式電動機在一般情況下是不能調速的，更不能無級調速，因此，對調速要求高的設備，均采用直流電動機。這是因為直流電動機能無級調速，機械傳動機構比較簡單。由直流電動機的轉速公式：n=（U-IaRa）/KEΦ可知，Ra、Φ 和 U 中的任意一個 值，都可使 轉速改變，改變電樞電路中外電阻的方法也可進行調速。但其缺點是耗電多，電機機械特性軟，調速范圍小，且只能進行有級調速，故這種方法目前已較少采用?，F(xiàn)常用的對直流電動機調速的方法有調磁法和調壓法。4.4.2 直流電動機的優(yōu)勢因為直流電動機在調方面很簡單，相對于異步電動機來說又有以下的優(yōu)勢：（1） 由于采用高性能永磁材料，無刷直流電機的轉子尺寸得以減小，可以具有較低的慣性、更快的響應速度、26更高的轉矩慣量比。 （2） 由于沒用轉子損耗（轉子使用永磁材料），也無需定子勵磁電流分量（應用新理論），所以無刷直流電機具有較高的效率和功率密度。對于同等容量輸出，交流異步電機需要更大功率的整流器和逆變器。 （3） 由于沒有轉子發(fā)熱，無刷直流電機也無需考慮轉子冷卻問題。 （4） 交流異步電機由于其非線性本質，實現(xiàn)控制極為復雜。無刷直流電機把其復雜的磁場定向控制簡化為離散狀態(tài)的轉子位置控制，無需坐標變換，調速范圍更寬，控制性能更好。 綜上所述，無刷直流電機具有更大的功率密度（鐵芯利用率高）、更高的效率和更好的控制性能，如將節(jié)能因素、省卻變頻器以及產能提高因素考慮在內，使用者的綜合成本下降很大。所以在本課題設計中選用了無刷直流電動機。 4.5 傳動裝置本控制系統(tǒng)所用到的傳動裝置具體包括如下：1 自動門扇行進軌道：就像火車的鐵軌，約束門扇的吊具走輪系統(tǒng)，使其按特定方向進行。2 自動門扇吊具走論系統(tǒng)：用于吊掛活動門扇，同27時在動力牽引下帶動門扇運行。3 同步皮帶：用于傳輸電機所產動力，牽引自動門吊具走論系統(tǒng)。4.6 限位開關限位開關又稱行程開關，是一種利用生產機械某些運動部件的碰撞來發(fā)出控制命令的主令電器。用于控制生產機械的運動方向、速度、行程大小或位置的一種自動控制器件。限位開關廣泛應用于各類機床、起重機械以及輕工機械的行程控制。當生產機械運動到某一運動位置時，行程開關通過機械可動部分的動作，將機械信號轉化為電信號，以實現(xiàn)對生產機械的控制，限制它們的動作和位置，借此對生產機械給以必要的保護。4.7 自動門控制系統(tǒng) I/0 地址分配表I/0 分配表示編寫 PLC 程序首先要做的前提條件，也是現(xiàn)場接線和調試的重要依據(jù)。284.8 自動們控制系統(tǒng)的原理圖4.8.1 主電路及供電線路29上圖為自動門控制系統(tǒng)的主電路原理圖。5 自動門控制系統(tǒng)軟件的設計5.1 工作過程的分析1 根據(jù) 本課題的控制要求和安全要求，所設計的程序按照下圖所示的流程運行，已達到本系統(tǒng)的最佳設計要求和完成系統(tǒng)的最終設計，工作流程如下：首先按下啟動按鈕，當傳感器檢測到能有人體信號時，電動機正傳，帶動自動門執(zhí)行開門開 始手 動 /自 動K1、 2是 否 有 信 號開 門 （ M1通 電 、 直流 電 機 正 傳 ）門 碰 到 行 程 開 關 K3后停 止 （ 門 全 開 狀 態(tài) ）延 時 8s（ 通 過 可調 延 時 器 實 現(xiàn) ）關 門 時 是 否 有 人 經 過關 門 （ KM2線 圈 通電 ， 驅 動 電 機 反 轉 ）結 束等 待 時 是 否 有 人 經 過門 碰 到 行 程 開 關 K4后停 止 （ 門 關 閉 狀 態(tài) ）是是否否是返 回 否 是是 按 下 按 鈕 門 關 閉 到 底門 打 開 到 底 按 下 按 鈕是 是30過程。2 當門完全打開之后，使開門限位開關打開，此時自動門停止，進行 8 秒延時。 若此時感應器重新檢測到有人體信號時，則在重新進行 8 秒延時 3 當 8 秒的延時完畢后，電動機反轉執(zhí)行關門過程。在關門過程中，傳感器重新檢測到人體信號時，此時中斷關門轉向開門過程。4 考慮到自動門若出現(xiàn)故障時，使用自動控制系統(tǒng)有所不適，于是設置手動開門和手動關門。以上工作過程可用流程圖表達如附圖所示。5.2 梯形圖程序5.2.1 梯形圖的概述PLC 是專門為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，其主要使用者工廠廣大電氣技術人員，為了適應他們的傳統(tǒng)習慣和掌握能力，通常 PLC 不采用微機的編程語言，而常常采用面向控制過程、面向問題的“自然 語言”編程。國際電工委員會（IEC）1994 年 5 月公布的 IEC1131-3(可編程控制器語言標準) 詳細的說明了句法、語義 和下述 5 中編程語言：功能表圖（sequential function chart）、梯形圖（ladder diagram）、功能 塊圖 (function black diagram)、指令表（